yfeo3晶體的制備及其在磁光材料中的應(yīng)用

yfeo3晶體的制備及其在磁光材料中的應(yīng)用

1磁光晶體材料在通信領(lǐng)域的應(yīng)用通信能力強(qiáng)、頻帶寬、通信能力強(qiáng)、連續(xù)距離長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界上最先進(jìn)的高科技領(lǐng)域。有關(guān)資料表明,目前有80%以上的信息量是通過(guò)光傳輸?shù)摹?qiáng)烈的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和巨大的社會(huì)發(fā)展需求促使光通信技術(shù)的發(fā)展日新月異,并使信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)持續(xù)高速發(fā)展的新時(shí)期。因此,光通信技術(shù)被公認(rèn)為是當(dāng)前光科技領(lǐng)域的研究核心和主旋律,將成為推動(dòng)21世紀(jì)通訊技術(shù)的重要?jiǎng)恿托碌慕?jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。光隔離器是現(xiàn)代光通信技術(shù)等領(lǐng)域中不可缺少的關(guān)鍵器件之一。作為一種單向器,光隔離器是一種光非互易傳播光纖無(wú)源器件。作為磁光隔離器核心部件,法拉第轉(zhuǎn)子材料的磁光性能對(duì)于光纖電流傳感器的性能有著重要的影響,所用磁光晶體材料的品質(zhì),直接關(guān)系到器件隔離度和信息傳輸質(zhì)量。因此,長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在尋找快速響應(yīng)和高靈敏度的新型磁光材料。近年來(lái),鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的YFeO3晶體引起了人們的關(guān)注。YFeO3具有在近紅外波段有很高的磁光優(yōu)值及飽和磁化強(qiáng)度低和居里溫度高(643K)的特點(diǎn)。為此在這篇文章中,筆者結(jié)合自己的研究以及國(guó)內(nèi)外YFeO3晶體的研究概況,重點(diǎn)介紹該晶體的生長(zhǎng)和磁光性能。2yfeo3的高溫相YFeO3晶體是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵氧體,它最初是作為磁存儲(chǔ)材料被研究的。與傳統(tǒng)的石榴石結(jié)構(gòu)磁光晶體YIG相比,YFeO3是Fe2O3-Y2O3體系的高溫相。如圖1所示:YFeO3是一致熔融化合物,其熔點(diǎn)為1710℃。上世紀(jì)五六十年代,為研究其磁存儲(chǔ)性能,國(guó)內(nèi)外嘗試了多種方法生長(zhǎng)YFeO3,如水熱法、提拉法、坩堝下降法、助熔劑法和光學(xué)浮區(qū)法等。2.1yfeo3高溫熔體的生長(zhǎng)特性1961年,Horn首先采用提拉法生長(zhǎng)了YFeO3晶體。他采用化學(xué)計(jì)量比的Fe2O3和Y2O3作為起始原料,在銥坩堝直接溶化。以銥絲為籽晶,在N2氣氛下,生長(zhǎng)出?15mm×5mm的YFeO3晶體。進(jìn)一步的生長(zhǎng)研究發(fā)現(xiàn),YFeO3高溫熔體對(duì)流非常強(qiáng)烈,非穩(wěn)態(tài)振蕩性的熔體不易于晶體生長(zhǎng),熔體表面張力很大,有沿坩堝壁向外溢的傾向。熔體的這些性質(zhì),對(duì)晶體生長(zhǎng)的表現(xiàn)則為熔體液滴在坩堝頂部發(fā)生結(jié)晶,對(duì)旋轉(zhuǎn)的晶體產(chǎn)生干擾。這樣以該方法生長(zhǎng)晶體,定向生長(zhǎng)十分困難,而晶體形狀極不規(guī)則。2.2yfeo3晶體的水熱法生長(zhǎng)上個(gè)世紀(jì)六十年代,Kolb等人系統(tǒng)研究了稀土鐵氧體的水熱法生長(zhǎng),也系統(tǒng)研究了YFeO3晶體的水熱法生長(zhǎng),其生長(zhǎng)條件如表1所示。雖然該研究獲得了一定尺寸的晶體,并實(shí)現(xiàn)了晶體的定向生長(zhǎng)。但是生長(zhǎng)出的晶體質(zhì)量很差,而且生長(zhǎng)周期長(zhǎng)。2.3yfeo3晶體生長(zhǎng)特性在Kolb等人以水熱法研究稀土鐵氧體的晶體生長(zhǎng)的同時(shí),Remeika等人采用PbO基復(fù)合助熔劑系統(tǒng)研究了稀土鐵氧體的晶體生長(zhǎng)。YFeO3晶體的生長(zhǎng)工藝如表2所示。助熔劑法使溶質(zhì)相在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行生長(zhǎng),溶質(zhì)從過(guò)飽和溶液中析出。對(duì)YFeO3晶體而言,在較低溫度下生長(zhǎng),熔體特性發(fā)生改變,非穩(wěn)態(tài)振蕩對(duì)流得到改善。但是PbO、Bi2O3等助熔劑對(duì)Pt坩堝有一定的腐蝕,而且復(fù)合助熔劑比較難控制,生長(zhǎng)的晶體有Fe3O4、YIG、PbFe12O19等相,嚴(yán)重影響了晶體質(zhì)量。2.4yfeo3的合成由于YFeO3高溫熔體特殊的物理化學(xué)性能,使得提拉法生長(zhǎng)該晶體十分困難。1971年,Blank等人采用坩堝下降法進(jìn)行YFeO3晶體的生長(zhǎng)研究。采用的是化學(xué)計(jì)量比的Fe2O3和Y2O3,首先以1450℃預(yù)燒16h,合成YFeO3多晶料;而后在1710℃以上的溫度保溫12~24h,最后以0.8mm/h下降,并在1600℃保溫24h,對(duì)晶體進(jìn)行退火處理。最后獲得了?15mm×28mm的晶錠。但是進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),所獲得的晶錠為多晶。近年來(lái),申慧等人采用通氣誘導(dǎo)成核的助熔劑坩堝下降法制備了新型磁光晶體YFeO3及稀土摻雜或置換的系列晶體。她們選擇PbO-PbF2-B2O3三元體系作為復(fù)合助熔劑,在Pt坩堝中生長(zhǎng)晶體,容易得到片狀結(jié)晶。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于,采用助熔劑可使生長(zhǎng)溫度大為降低,而通氣成核技術(shù)有助于控制自發(fā)成核數(shù)目,獲得較大單晶。2.5浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)及其應(yīng)用浮區(qū)法是從上個(gè)世紀(jì)五十年代發(fā)明的一種新型晶體生長(zhǎng)方法,具有無(wú)需坩堝、無(wú)污染、生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于一些難以生長(zhǎng)(包含提拉法不能生長(zhǎng)的晶體)而且/或者易污染的晶體,顯示出很大的優(yōu)越性。該方法不僅豐富了晶體生長(zhǎng)手段,而且有利于縮短普通晶體的探索、研究周期并加快難以生長(zhǎng)晶體的研究進(jìn)程。起初,光學(xué)浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)裝置被看作一種新型的為新晶體探索而研制的快速晶體生長(zhǎng)設(shè)備。所以盡管日本學(xué)者M(jìn)akino等人采用浮區(qū)法生長(zhǎng)了多種稀土鐵氧體,并申請(qǐng)了相關(guān)專利,卻并沒(méi)有開(kāi)展進(jìn)一步的晶體表征和物理性能研究。近年來(lái),由于器件設(shè)計(jì)對(duì)晶體尺寸的要求越來(lái)越小,該方法獲得了應(yīng)有的重視。國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了YFeO3晶體的浮區(qū)法生長(zhǎng)研究,而光學(xué)浮區(qū)法無(wú)需坩堝,正好利用熔體表面張力大的特點(diǎn),被證明是生長(zhǎng)YFeO3晶體的有效方法,有關(guān)該方法生長(zhǎng)YFeO3晶體的相關(guān)研究還在進(jìn)行中。3yfeo3晶體的特性磁光(magneto-optical,MO)效應(yīng)是指在磁場(chǎng)的作用下,物質(zhì)的電磁特性(如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁化強(qiáng)度、磁疇結(jié)構(gòu)、磁化方向等)會(huì)發(fā)生變化,因而使通過(guò)它的光的傳輸特性(如偏振狀態(tài)、光強(qiáng)、相位、頻率、傳輸方向等)也隨之發(fā)生變化。光在磁場(chǎng)作用下通過(guò)這些物質(zhì)時(shí)傳輸特性發(fā)生的變化。這些效應(yīng)應(yīng)用最廣泛的是法拉第效應(yīng),這樣反映磁光材料的主要性能指標(biāo)包括:比法拉第旋轉(zhuǎn)θF、光吸收系數(shù)、比法拉第旋轉(zhuǎn)溫度系數(shù)、比法拉第旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)系數(shù)和磁光優(yōu)值等。由于YFeO3晶體生長(zhǎng)方面的困難,現(xiàn)在還沒(méi)有獲得高質(zhì)量、大尺寸的晶體,所以對(duì)該晶體磁光性能的研究還在起步階段。不過(guò)Didosyan等人研究了YFeO3晶體在紅外波段的法拉第旋轉(zhuǎn),他們的研究表明:與傳統(tǒng)的YIG相比,YFeO3晶體在近紅外波段有很高的磁光優(yōu)值。另外,他們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),YFeO3是一種在可見(jiàn)和近紅外波段透明的鐵磁材料,特別在近紅外波段有很高的磁光優(yōu)值;低的飽和磁化強(qiáng)度;矯頑力可控,可以從0.01變到幾百Oe;疇寬度比YIG要寬很多,疇壁運(yùn)動(dòng)范圍大,疇壁運(yùn)動(dòng)速度是磁性介質(zhì)中最快的。這些研究表明了YFeO3晶體的巨大應(yīng)用潛力。近年來(lái),Hauser等人基于這些性質(zhì),開(kāi)展了YFeO3晶體器件開(kāi)發(fā)的初步研究。研究發(fā)現(xiàn),在器件應(yīng)用上YFeO3晶體有一系列的優(yōu)勢(shì):(1)在磁光開(kāi)關(guān)應(yīng)用中,開(kāi)關(guān)速度非?？?開(kāi)關(guān)時(shí)間為100ns。而目前商用YIG開(kāi)關(guān)時(shí)間是300μs。(2)在磁光傳感器應(yīng)用中,將法拉第效應(yīng)和疇壁運(yùn)動(dòng)相結(jié)合,適用的頻率范圍和溫度范圍大,測(cè)量的靈敏度高(S=15%/μT,而YIG的靈敏度只為S=0.12%/μT),受光纖、傳感器的透明性、光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的影響很小。(3)在光點(diǎn)位置測(cè)量應(yīng)用中,測(cè)量的分辨率和取樣速度要超過(guò)CCD